Egy évvel az indulás után a csillagászok felfedik az univerzum titkait, mint az első tudományos eredményeket a világegyetem megfigyeléséből. James Webb Űrtávcső (JWST) megjelennek. Ebben a hónapban, Fizika Világa egy sor blogbejegyzést tesz közzé a felfedezésekről. Ez a sorozat negyedik bejegyzése – az előzőt olvashatjátok itt.
Egy év telt el a James Webb Űrteleszkóp (JWST) felbocsátása óta, és veszélyes telepítése és gondos kollimációja után végre hihetetlen képeket és adatokat küld vissza. Az indítópultról a teljes működésre való eljutás azonban nem volt könnyű feladat. Itt egy emlékeztető, hogyan történt mindez.
2021 karácsony napja: Közel 25 éves fejlesztés után a JWST egy Ariane 5 rakéta tetején emelkedett az űrbe. Bevezetése győzelmet aratott a technológiai nehézségek, a költségvetés és a menetrend túllépése felett, sőt, az Egyesült Államok Kongresszusa (ideiglenes) törölte a lemondást. Következésképpen az érzelmek felerősödtek, amikor az indítópult visszaszámlálása a nullához közeledett.
„Feszült volt” – ismeri el Susan Mullally, a JWST helyettes projekttudósa a baltimore-i Space Telescope Science Institute-ban (STScI). „Nem hittem el, hogy ez valóságos” – teszi hozzá Naomi Rowe-Gurney, JWST GTO (Garantált idő megfigyelések) posztdoktori a NASA Goddard Űrrepülési Központjában, ahol a Planetary Systems Team munkáját támogatja. „Valamilyen újabb késésre számítottam. Azt hittem, soha nem fog elindulni.”
Veszélyes utazás
A projekt fejlesztésének stop-start jellege részben a teleszkóp egyre összetettebbé válása miatt következett be, amely egy szegmentált 6.5 méteres elsődleges tükörrel, valamint egy törékeny, ötrétegű, teniszpálya méretű szigetelő napvédővel rendelkezik. Mindkét elemnek origamiként kellett kibontakoznia, miután felcsavarták őket, hogy beleférjenek a rakéta repülésébe – ez a 30 napos folyamat egybeesett a távcsőnek a Nap túloldalán, a Földtől 2 millió kilométerre lévő L1.6 Lagrange ponthoz vezető útjával.
Ez a pont túl messze van ahhoz a fajta űrhajós segítséggel végzett Hubble Űrteleszkóp szervizeléséhez, amelyet 1993-ban hibás optikája miatt kaptak. Ha valami elromlott volna a JWST tükrében a telepítés során, a csillagászoknak egy 10 milliárd dolláros fehér színű maradt volna. elefánt lebeg a mélyűrben.
"Az első 30 nap elég idegtépő volt, mert minden probléma egypontos hiba volt, és azt jelentené, hogy nem lesz távcsövünk" - mondja Rowe-Gurney.
Összességében 344 ilyen lehetséges meghibásodási pont volt: 344 olyan pont, ahol a teleszkóp bonyolult mozgó alkatrészeinek tökéletesen működniük kellett a hideg vákuumban. Ennek ellenére munkát végeztek – a NASA Goddard munkatársa, Jane Rigby szerint „fenomenszerűen” A JWST első tudományos eredményei A hónap elején az STScI-ben tartott konferencia.
„Az a nap, amikor tudtam, hogy ez valóban működni fog, az volt, amikor a fő gém kilendült, és a másodlagos tükör kihajtott, és valójában volt egy teleszkópunk” – mondja Rowe-Gurney. "Még ha a későbbi bevetések nem is működnének, megfoghatnánk a fényt, és belehelyezhetnénk a műszerekbe."
A teleszkóp fókuszálása
Mindkét tükör beépítése után a következő lépés az elsődleges tükör 18 hatszögletű berillium szegmensének fókuszálása volt. Ez hét szakaszban valósult meg. Kezdetben minden szegmens eltérő fókuszálatlan képet produkált, így az első fázis annak felismerése volt, hogy melyik kép melyik tükörszegmenshez tartozik. A következő lépés a tükrök durván igazítása volt, hogy a 18 kép mind fókuszban legyen. Ezt követően a szegmenseket tovább állítottuk, hogy ugyanarra a pontra kezdjenek fókuszálni.
Ezt követte a különböző fokú finomhangolás és annak biztosítása, hogy a fókusz a különböző műszerek látómezejébe kerüljön, majd egy sor korrekció, hogy a szegmensek 50 nm-en belül legyenek egymáshoz igazítva. Végül három hónapos folyamat után a teleszkóp került a fókuszba.
A sebességkorlátozás átlépése
Mivel a teleszkóp jó állapotban volt, a következő lépés az egyes műszerek kalibrálása volt: a Közeli infravörös kamera (NIRCam), a Közeli infravörös spektrométer (NIRSpec), és a MIRI, a detektorok sorozata, amely a Közép-infravörös műszer.
A távoli, mély űrbeli objektumok az égbolton rögzítettnek tűnnek, de a Naprendszer objektumai a csillagok, ködök és galaxisok hátterében mozognak. Ezért a bolygók, holdak, üstökösök és aszteroidák leképezéséhez a JWST-nek követnie kell őket az űrhajó fizikai elfordításával. Az indítás előtt követési sebességkorlátozást vezettek be: 30 milliívmásodperc másodpercenként, ahol egy ívmásodperc a fok 1/3600-a).
Az űrben azonban a csapat rájött, hogy ez a határ kissé pesszimista. „Kipróbáltuk, milyen gyorsan tudunk követni, és rájöttünk, hogy valójában sokkal gyorsabban tudunk haladni” – mondja Rowe-Gurney, aki a mozgó célpontokra és a szórt fényre vonatkozó adatok gyűjtésére szolgáló műszerek üzembe helyezésében vett részt.
A megnövekedett követési sebesség hasznosnak bizonyult néhány hónappal később, amikor a JWST megfigyelte a DART (Double Asteroid Redirection Test) hatását a Dimorphos kisbolygóra. A DART küldetés az volt Fizika Világatudományos az év áttörése 2022-re, és a JWST a kezdeti határnál háromszor gyorsabban követte a becsapódásából kilökődő törmeléket, így az aszteroidát elmosódás nélkül tartotta a látómezőben. Valójában a távcső azóta akár 120 milliívmásodperc másodpercenkénti követési sebességet is elért. Azonban minél gyorsabban követi nyomon, annál alacsonyabb a nyomkövetési hatékonysága, ami középúti kompromisszumhoz vezet. "A következő évben a biztonságos követési sebességet 75 milliívmásodpercre emelik másodpercenként, ami több mint kétszerese a sebességkorlátozásnak, így még több objektumot követhetünk majd a Naprendszerben a távcső feltörése nélkül" - mondta Rowe-Gurney. mondja.
A szórt fény eltávolítása
Amikor a JWST egy fényes tárgyra – bolygóra, csillagra, akár egy távoli kvazárra – néz, a fényfelesleg egy része diffrakciós mintát képez. Ez a minta okozza a JWST számos képén az előtérben lévő csillagok körül látható „tüskéket”, és bár szép, elfedheti a tudományos részleteket. Szerencsére minden távcső egyedi diffrakciós mintázata pontszórási függvényként írható le, és a JWST és műszerei számára ennek a pontszórási függvénynek az alakjának jellemzésével a csillagászok szükség esetén eltávolíthatják a képekről a külső fényt.
Jó példa erre a JWST képe a Wolf–Rayet WR 140-es csillagáról, amely 5000 fényévnyire található. Amikor a JWST először készített felvételt, a csillagászok megdöbbentek, amikor 17 koncentrikus gyűrűt vagy kagylót láttak a csillag körül. Eredetileg úgy gondolták, hogy ezek a gyűrűk a teleszkóp képalkotási műtermékei, de a pontterítés funkció eltávolítása után a gyűrűk még mindig ott voltak. A szimulációkon alapuló további vizsgálatok kimutatták, hogy a kettőscsillagokból származó csillagszelek porgyűrűket hozhatnak létre, ahol összeütköznek és összecsapódnak. Sőt, a szimulált gyűrűk mintázata pontosan illeszkedett a WR 140 körüli gyűrűk mintázatához, még akkor is, ha a látómezőnkben lévő fokozott infravörös emisszió miatt a gyűrűket átmetsző lineáris jellemzőig.
A WR 140 megfigyelései az első alkalom, hogy egy kettőscsillag körül ütköző szélszerkezetet 3D-ben térképeztek fel. De ha a csillagászok először nem modellezték volna le a távcsőbe szivárgó szórt fény mintázatát, hogy eltávolíthassák azt, akkor lehetetlen lett volna felismerni, mit árulnak el a megfigyelések.
A csillagászok új játéka
A Wolf–Rayet csillagpélda megmutatja, mennyire fontos a távcső megismerése megfigyelés közben. „Sokat kell ezen gondolkodni” – mondja Mullally. „Minden lépésnél azt reméli, hogy lesz egy szakértő a csapatában, aki a lehető legtöbbet tud a műszerről vagy az ilyen típusú megfigyelések elvégzésének módjáról.”
Ennek megfelelően a JWST-k egyik motivációja Early Release Science (ERS) célja, hogy segítsen néhány csillagásznak megismerkedni a távcsővel és annak műszereivel, hogy másokat is felgyorsíthassanak a későbbi megfigyelési ciklusokhoz. „Olyan, mint egy új játék” – mondja Rowe-Gurney. "Sok munka folyik az adatok feldolgozásán és kalibrálásán, hogy megbizonyosodjon arról, hogy azok megbízhatóak."
Szerencsére a JWST labdázik. „A műszertudósok azt mondanák, hogy még ismerkednek a műszereikkel, és azzal, hogy hogyan távolítsák el a kis szisztematikákat, műtárgyakat és hasonló dolgokat az adataidból” – mondja Mullally –, de összességében az a benyomásom, hogy mindenkitől az a távcső. csodálatosan teljesít."
Hatásveszély
Egyelőre csak egy figyelmeztetés van a JWST teljesítményével kapcsolatban: a mikrometeoroid becsapódások által okozott károk. A teleszkóp tükrét átlagosan havonta egyszer találja el valami, ami elég nagy ahhoz, hogy befolyásolja hullámfront érzékelés, amely a teleszkóp azon képessége, hogy észleli az optikájában fellépő beállítási hibákat, amelyek fényhullámok fáziskiesésében nyilvánulhatnak meg. A hullámfront érzékelésének ilyen csökkenése kevésbé élessé teheti a képeket.
Az ilyen hatásokat még a kilövés előtt várták, és várhatóan nem voltak elég nagyok ahhoz, hogy veszélyeztetjék a távcső élettartamát. 2022 májusában azonban az egyik tükörszegmens a szokásosnál nagyobb hatást kapott. A JWST First Science Results konferencián tartott előadásában Rigby arról számolt be, hogy ez a becsapódás egy lábnyi sebet hagyott maga után, ami 9 nm-rel növelte a teleszkóp teljes hullámfront-hibáját. Ennek azért van jelentősége, mert ha a hullámfront hibája eléri a 150 nm-t, a teleszkóp már nem lesz elég érzékeny ahhoz, hogy elérje tudományos céljait – ami azt jelenti, hogy mindössze 10 hasonló léptékű becsapódás lenne „játék vége” a JWST számára.
Ettől a kilátástól némileg megriadva, a NASA mikrometeoroid munkacsoportot hívott össze a kockázat kivizsgálására. Az L2 mikrometeoroid populáció jól ismert; ami nem világos, az a becsapódások kinetikus energiája és a hullámfront-érzékelés romlása közötti kapcsolat. Az ilyen nagy hatások rendkívül ritkák, és a JWST egyszerűen balszerencsés volt májusban? Vagy a távcső a vártnál nagyobb gyakorisággal fog komolyabb becsapódásokat tapasztalni?
Kvazárok, exobolygók és távoli világok légköre: bővebben a JWST első eredményeiről
Amíg a munkacsoport választ nem ad, a távcső vezetői úgy mérsékelik a kockázatot, hogy arra ösztönzik a csillagászokat, hogy megfigyeléseiket időzítsék (ahol lehetséges, az időérzékeny megfigyelések kivételt képeznek), hogy a távcső ne a mikrometeoroidok „esőjébe” mutasson.
Ha ez a rendszer sikeres lesz, vagy a munkacsoport megnyugtató választ ad a becsapódási esélyekről, akkor a JWST-re hosszú élet vár. A hibátlan kilövésnek és az L2-be vezető útnak köszönhetően, amely minimális pályakorrekciót igényelt, a távcsőben elegendő hajtóanyag van ahhoz, hogy még legalább 27 évig folytathassa küldetését. Ha a küldetés első 12 hónapja bármire utal, ez a 27 év szenzációs új nézeteket és adatokat eredményez egy kiváló műszerrel, nagy valószínűséggel átalakítva az asztrofizikát, az exobolygó-kutatásokat, a kozmológiát és még sok mást. Lehet, hogy a JWST indulásának hullámvasútja véget ért, de az igazi utazás még csak most kezdődik.
